JP2013164921A - 面状照明装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】点状光源と導光板とを備える面状照明装置において、狭指向性かつ輝度均一性に優れた照明光を得ることが可能な面状照明装置を提供する。
【解決手段】面状照明装置１０は、点状光源１４と、入光面１２ａ及び出射面１２ｂを有する導光板１２と、輝度分布制御レンズ１６と、フレネルレンズ１８とを備え、導光板１２の裏面１２ｃに、入光面１２ａの長手方向と略平行に延びる多条のプリズム１５が形成されており、導光板１２は、多条のプリズム１５の少なくとも一部のプリズム１５の、導光板１２の厚みＴ１に対するプリズムの深さ（最大値Ｄ１、最小値Ｄ２）の比が、点状光源１４の前方部分Ｆよりも点状光源１４の側方部分Ｓの方が大きくなるように形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、面状照明装置に関し、特に、液晶表示装置のバックライトとして好適な狭指向性の面状照明装置に関する。
現在、透過型（及び半透過型）液晶表示装置用のバックライトとして、点状光源（例えば、白色ＬＥＤ）を用いたサイドライト型の面状照明装置が広く用いられている。この種の面状照明装置は、画面と略等しい大きさの主面を有する平板状の導光板と、導光板の側端面に配置された点状光源とを備え、導光板の側端面から入射した光を、一主面から出射させることにより、画面を均一に照明するものである。
このような面状照明装置において、従来、点状光源から入射する光が広い角度分布を持つ場合には、導光板からの出射光も広い角度分布を持つことになり、指向性が悪いことにより十分な輝度を得にくいという問題があることが知られている。この問題に対処するため、フレネルレンズを用いた面状照明装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された面状照明装置を図１１に示す。図１１に示す面状照明装置１００は、導光板１１１と、ＬＥＤ１１２と、集光体１１３とを備えており、ＬＥＤ１１２は、集光体１１３を介して導光板１１１の入光面１１１ｃに対向している。集光体１１３の、導光板１１１の入光面１１１ｃに対向する側面１１３ｃには、導光板１１１の厚み方向に延在するプリズム群からなるリニアフレネルレンズ１１４が、各ＬＥＤ１２に対応してそれぞれ設けられており、集光体１１３の側面１１３ｃと側面１１３ｄとの間の幅寸法ｄは、リニアフレネルレンズ１１４の焦点距離に略一致するように形成されている。
面状照明装置１００では、ＬＥＤ１１２から放射状に出射された光Ｐがリニアフレネルレンズ１１４の作用によって屈折して集光され、ｘｙ面内において略平行な光Ｐ´に変換される。これによって、導光板１１１の出射面１１１ａからの出射光の、入光面１１１ｃと平行な面（ｘｚ面）内における配光分布を狭くし、狭指向性を実現することが図られている。
特開２００７−７３４６９号公報
しかしながら、図１１に示した面状照明装置１００は、上述したような狭指向性が達成可能であるものの、輝度の均一性の点で改善の余地がある。すなわち、面状照明装置１００では、導光板１１１内を進行する光Ｐ’が略平行光であるため、光Ｐ’の入光面１１１ｃと平行な方向の混合が生じ難いことにより、入光面１１１ｃから入射する光の輝度分布の非均一性が、導光板１１１からの出射光の輝度分布の非均一性としてそのまま反映され易いという特性を有する。そして、白色ＬＥＤ等の点状光源は、一般に、その正面の輝度が最も高く、周辺に行くにしたがって輝度が低下するため、特に、図１１に示すように入光面１１１ｃに平行な方向に複数の白色ＬＥＤ１１２を配置した場合には、導光板１１１からの出射光に、各ＬＥＤ１１２の正面方向が明るく、ＬＥＤ１１２間が暗いといった輝度ムラが顕著に顕れる可能性があるという問題がある。
本発明は、上記課題に鑑み、点状光源と導光板とを用いた面状照明装置において、狭指向性でかつ輝度均一性に優れた照明光を得ることが可能な面状照明装置を提供することを目的とする。
以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。
（１）点状光源と、該点状光源が配置される入光面、及び光を出射させる出射面を有する導光板と、前記点状光源から出射された光の広がり角を制御する輝度分布制御レンズと、該輝度分布制御レンズにより広げられた光を、前記導光板の厚み方向と直交する面内における平行光として導光板内を進行させるためのフレネルレンズと、を備え、前記導光板の出射面または該出射面の反対側の面に、前記入光面の長手方向と略平行に延びる多条のプリズムが形成されており、前記導光板は、前記多条のプリズムの少なくとも一部のプリズムの、前記導光板の厚みに対するプリズムの深さの比が、前記点状光源の前方部分よりも前記点状光源の側方部分の方が大きくなるように形成されていることを特徴とする面状照明装置（請求項１）。
本項に記載の面状照明装置によれば、点状光源から出射された光の広がり角を制御する輝度分布制御レンズと、輝度分布制御レンズにより広げられた光を、導光板の厚み方向と直交する面内における平行光として導光板内を進行させるためのフレネルレンズと、を備えていることにより、狭指向性でかつ輝度均一性に優れた照明光を得ることが可能となる。
さらに、本項に記載の面状照明装置によれば、前記導光板は、前記多条のプリズムの少なくとも一部のプリズムの、前記導光板の厚みに対するプリズムの深さの比が、点状光源の前方部分よりも、点状光源の側方部分の方が大きくなるように形成されていることによって、照明光の輝度均一性を一層向上させることが可能となる。
（２）（１）項に記載の面状照明装置において、前記多条のプリズムの少なくとも一部のプリズムの深さは、前記点状光源の前方部分よりも前記点状光源の側方部分の方が深くなるように変化していることを特徴とする面状照明装置（請求項２）。
（３）（２）項に記載の面状照明装置において、前記プリズムの深さの変化は、正弦曲線状であることを特徴とする面状照明装置（請求項３）。
（４）（１）〜（３）のいずれか１項に記載の面状照明装置において、前記導光板は、該導光板の厚みが、前記点状光源の前方部分よりも前記点状光源の側方部分の方が薄くなるように、前記プリズムの稜線に沿って変化している部分を含むことを特徴とする面状照明装置（請求項４）。
（５）（４）項に記載の面状照明装置において、前記導光板の、前記プリズムの稜線に沿った厚みの変化は、正弦曲線状であることを特徴とする面状照明装置（請求項５）。
（６）（１）〜（５）のいずれか１項に記載の面状照明装置において、前記輝度分布制御レンズには、前記点状光源が対向する箇所に厚み方向に貫通する一つの凹部が形成されていることを特徴とする面状照明装置（請求項６）。
（７）（６）項に記載の面状照明装置において、前記凹部の前記厚み方向に直交する断面形状は半楕円であり、前記凹部の中心軸と前記点状光源の光軸とが一致することを特徴とする面状照明装置（請求項７）。
（８）（１）〜（７）のいずれか１項に記載の面状照明装置において、前記フレネルレンズは、前記導光板の前記入光面に形成されていることを特徴とする面状照明装置（請求項８）。
（９）（１）〜（８）のいずれか１項に記載の面状照明装置において、前記フレネルレンズは、フレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズであることを特徴とする面状照明装置（請求項９）。
本発明は、以上のように構成したため、点状光源と、点状光源が配置される入光面、及び光を出射させる出射面を有する導光板とを備えた面状照明装置において、狭指向性でかつ輝度均一性に優れた照明光を得ることが可能となる。
（ａ）は、本発明の第１実施形態における面状照明装置の要部を示す斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示す面状照明装置のＡ−Ａ断面図である。 図１に示す面状照明装置の入光面付近を拡大して示す平面図である。 図１に示す面状照明装置において、フレネルレンズの作用を示す模式図である。 図１に示す面状照明装置において、出射光の指向性を示すグラフである。 図１に示す面状照明装置において、出射光の輝度均一性を示すグラフである。 フレネルレンズと輝度分布制御レンズとを備えた面状照明装置において、導光板の出射面上の輝度分布を濃淡の分布として示す図であり、（ａ）は、比較例として、多条のプリズムに深さが変化するプリズムが含まれない場合、（ｂ）は、本発明の第１実施形態における面状照明装置の場合を示す図である。 フレネルレンズと輝度分布制御レンズとを備えた面状照明装置において、点状光源の前方部分に進行した光、及び、点状光源の側方部分に進行した光の導光板の厚み方向の配光分布を示すグラフである。 本発明の第１実施形態における面状照明装置について、多条のプリズムの別の例を、図１（ｂ）と同様の切断面で示す断面図である。 （ａ）は、本発明の第２実施形態における面状照明装置の要部を示す斜視図、（ｂ）は、（ａ）に示す面状照明装置のＡ−Ａ断面図である。 本発明に係る面状照明装置の変形例の要部を示す平面図である。 従来の狭指向性面状照明装置の一例を示す平面図である。
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。尚、面状照明装置の全体または部分を示す各図（図１〜図３、図８〜図１０）は、いずれも説明のために特徴を強調して示す模式図であって、図示された各部分の相対的な寸法は、必ずしも実際の縮尺を反映するものではない。
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態における面状照明装置の要部を示す斜視図である。
図１（ａ）に示す面状照明装置１０は、透過型（または半透過型）液晶表示装置のバックライトとして好適に適用されるものであり、導光板１２と、３灯の点状光源１４と、各点状光源１４と導光板１２の一側端面１２ａとの間にそれぞれ配置された３個の輝度分布制御レンズ１６とを備えており、各点状光源１４は、それぞれ対応する輝度分布制御レンズ１６を介して導光板１２の一側端面である入光面１２ａに配置される。
本実施形態において、点状光源１４は、例えば白色発光ダイオードからなる。また、導光板１２は、メタクリル樹脂やポリカーボネート樹脂等の透明樹脂材料を成形してなる板状の導光体であり、その一主面を、点状光源１４から入光面１２ａを通じて入光した光を出射させる出射面１２ｂとするものである。導光板１２において、出射面１２ｂは、凹凸のない平坦面である。
そして、導光板１２の出射面１２ｂの反対側の主面（以下、裏面ともいう）１２ｃには、入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）と略平行に延びるプリズム１５を、入光面１２ａ側から入光面１２ａに対向する端面１２ｄに向かう方向（ｙ方向）に複数配列してなる多条のプリズム１５が形成されている。それぞれのプリズム１５は、プリズム１５の稜線１７で連結される一対の傾斜面１５ａ、１５ｂ有し、プリズム１５の延在方向に直交する断面が三角形状をなすものである。
また、面状照明装置１０において、導光板１２の入光面１２ａには、フレネルレンズ１８が形成されており、面状照明装置１０は、点状光源１４側から順に、輝度分布制御レンズ１６と、フレネルレンズ１８とを配置した構成を有している。尚、図１（ａ）では、フレネルレンズ１８は、導光板１２の厚み方向（ｚ方向）に延びる複数の実線の配列として模式的に示されており、その詳細な構成については後述する。
尚、面状照明装置１０は、導光板１２の出射面１２ｂ側に、所謂プリズムシート等の光学シート類を積層配置するものであってもよく、また、導光板１２の裏面１２ｃ側に、漏れ光を反射するための反射部材が配置されるものであってもよい。面状照明装置１０では、これらの構成要素として、いずれも周知のものを使用することができるため、その図示及び説明は省略する。
次に、図１（ｂ）を参照して、プリズム１５の構成について詳述する。ここで、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示す面状照明装置１０のＡ−Ａ断面図であり、詳しくは、導光板１２の、入光面１２ａに平行であって、かつ、多条のプリズム１５のうちの１つの稜線１７を含む断面を示す図である。また、図１（ｂ）には、入光面１２ａに配置される点状光源１４の外形が破線で示されており、輝度分布制御レンズ１６の記載は省略されている。
面状照明装置１０において、３灯の点状光源１４は、入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）に沿って一定のピッチｐで配列されている。図１（ｂ）には、入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）に関する点状光源１４の中心位置ＣＦが一点鎖線で示されており、以下の説明において、この中心位置ＣＦを前方中心ともいう。
また、図１（ｂ）には、隣接する２灯の点状光源１４間の中心位置（言い換えれば、その２灯の点状光源１４の両方の中心位置ＣＦから半ピッチｐ／２の位置）ＣＳが、それぞれ一点鎖線で示されており、配列中最も外側に位置する点状光源１４（この例では、中央に位置する点状光源１４の両側の２灯の点状光源１４）については、その外側（隣接する点状光源１４が存在しない側）にも、それぞれの点状光源１４の中心位置Ｆから半ピッチｐ／２の位置に、同一の符号ＣＳを付す一点鎖線が示されている。以下の説明において、これらの中心位置ＣＳ を、最も外側の２つの位置を含めて、側方中心ともいう。
そして、本発明において、導光板１２の各構成要素について、点状光源１４の前方部分とは、導光板１２の入光面１２ａの長手方向に関して、点状光源１４の前方中心ＣＦを含む所定の範囲（例えば、図１（ｂ）に示す範囲Ｆ）に相当する部分をいい、点状光源１４の側方部分とは、点状光源１４の前方部分Ｆの両側に隣接する所定の範囲（例えば、図１（ｂ）に示す範囲Ｓ）に相当する部分をいう。
但し、図１（ｂ）に示す前方部分及び側方部分の範囲Ｆ、Ｓは、その一例を示すものであり、例えば点状光源１４の外形との関連において、その範囲を限定することを意図するものではない。本発明において、点状光源１４の前方部分の範囲Ｆは、面状照明装置１０の光学的及び幾何学的仕様等に応じて、点状光源１４の前方中心ＣＦを含む任意の適切な範囲とすることができる。同様に、点状光源１４の側方部分の範囲Ｓについても、点状光源１４の前方部分に隣接する限り、任意の適切な範囲とすることができる。
尚、以下では、導光板１２の各構成要素（例えば、プリズム１５の稜線１７）の点状光源１４の前方部分及び側方部分に、それぞれ対応する範囲を示す符号Ｆ及びＳを付して参照する。
また、図１（ｂ）では、説明の便宜のため、点状光源１４の前方中心ＣＦを、点状光源１４の外形の範囲の幾何学的中心として図示したが、点状光源１４の光軸（通常、その出射光の配光分布の中心軸）の位置と、外形の幾何学的中心の位置とが一致しない場合には、前方中心ＣＦは、光軸の位置に基づいて定められるものであってもよい。
さらに、面状照明装置１０において、多条のプリズム１５は、導光板１２の入光面１２ａの裏面１２ｃ側の長辺と、入光面１２ａに対向する側端面１２ｄの裏面１２ｃ側の長辺とを含む仮想平面Ｇ（以下、基準面ともいう）に対して突出するように設けられており、プリズム１５の稜線１７と基準面Ｇとの間の距離を、プリズム１５の深さというものとする。また、導光板１２の出射面１２ｂと基準面Ｇとの間の距離を、導光板１２の厚みというものとする。
図１（ｂ）に記載された寸法Ｔ１は、図示された断面の位置における導光板１２の厚みを示しており、寸法Ｄ１及びＤ２は、後述するように空間的に変化するプリズム１５の深さを、それぞれ最大値及び最小値をとる箇所について示したものである。
尚、本実施形態における導光板１２は、入光面１２ａの短手方向（厚み方向）の寸法と、側端面１２ｄの短手方向（厚み方向）の寸法とが等しく、導光板１２は、その全体にわたって一定の厚みを有するものとする。したがって、図１（ｂ）に示す導光板１２の厚みＴ１は、入光面１２ａの厚みと等しいものである。
但し、本発明において、導光板１２は、その厚みが、入光面１２ａ側から入光面１２ａに対向する側端面１２ｄに向かって（すなわち、ｙ方向に）空間的に変化するものであってもよく、その場合には、図１（ｂ）に図示された断面の位置における導光板１２の厚みＴ１は、入光面１２ａの厚みとは相違する。
特に、導光板１２が、例えば入光面１２ａ近傍に実質的に照明光の出射部として使用されない傾斜部のような構造を有することにより、入光面１２ａの厚みと出射部における導光板１２の厚みとの間に段差が存在し、かつ、そのような段差が導光板１２の裏面１２ｃ（すなわち、多条のプリズム１５が形成された方の面）側に形成されている場合には、上記基準面Ｇは、出射部の（入光面１２ａ側から見た）開始位置における入光面１２ａと平行な断面の裏面側１２ｃの長辺と、側端面１２ｄの裏面側１２ｃの長辺とを含む仮想平面として定義され、出射部における導光板１２の厚みを、単に導光板１２の厚みというものとする。
面状照明装置１０において、多条のプリズム１５には、図１（ｂ）に示すように、入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）にわたって、その深さが空間的に変化するプリズム１５が含まれており、このプリズム１５の深さは、点状光源１４の前方部分Ｆよりも点状光源１４の側方部分Ｓの方が深くなるように変化するものである。なお、プリズム１５を構成する一対の傾斜面１５ａ、１５ｂの基準面Ｇに対する傾斜角度は、プリズム１５の延在方向においてプリズム１５の深さにかかわらずいずれも一定である。したがって、プリズム１５の延在方向においてプリズム１５の深さが変化すると、一対の傾斜面１５ａ、１５ｂの長さが、プリズム１５の深さに比例してそれぞれ変化することになる。
そして、面状照明装置１０では、入光面１２ａに平行な各断面内において、導光板１２の厚みＴ１は入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）にわたって一定であり、これによって、導光板１２は、図１（ｂ）に示すプリズム１５の、導光板１２の厚みに対するプリズム１５の深さの比が、点状光源１４の前方部分Ｆよりも側方部分Sの方が大きくなるように構成されている。図１（ｂ）に示す例では、導光板１２の厚みに対するプリズム１５の深さの比は、点状光源１４の側方中心ＣSで最大値（Ｄ１／Ｔ１）をとり、前方中心ＣＦで最小値（Ｄ２／Ｔ１）をとる。
さらに、面状照明装置１０では、図１（ｂ）に示すように、各点状光源１４の前方部分Ｆにおける稜線１７の形状は、前方中心ＣＦに極値を有する曲線をなし、各点状光源１４の側方部分Ｓにおける稜線１７の形状は、側方中心ＣＳに、前方中心ＣＦの極値とは凹凸が反転した極値を有する曲線をなすとともに、前方部分Ｆにおける曲線と、側方部分Ｓにおける曲線とが、前方部分Ｆと側方部分Ｓとの間の遷移部分Ｒにおいて、滑らかに連結されていることが好ましい。
尚、前方中心ＣＦ及び側方中心ＣＳの極値は、説明のために図１（ｂ）に付されたｘｙｚ座標系のｚ軸方向に準じていえば、それぞれ極大値及び極小値に相当し、以下、極大値及び極小値という用語は、この意味で用いられる。この点は、図９（ｂ）についても同様である
面状照明装置１０において、さらに好ましくは、稜線１７は、点状光源１４の配列ピッチｐを１周期とし、導光板１２の入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）に沿って導光板１２の厚み方向（ｚ方向）に空間的に振動する正弦曲線状に形成されているものであり、この正弦曲線の位相は、上述したように、前方中心ＣＦに極大値を有し、側方中心ＣＳに極小値を有するように構成される。これによって、基準面Ｇと稜線１７との間の距離であるプリズム１５の深さも、稜線１７に沿って正弦曲線状に変化するものである。
ここで、面状照明装置１０が備える多条のプリズム１５は、その全てのプリズム１５が、上述したように深さが空間的に変化するプリズム１５からなるものであってもよい。あるいは、多条のプリズム１５は、上述したように深さが空間的に変化するプリズム１５と、一定の深さを有するプリズム（同様に、符号１５を付す）の両方を有するものであってもよい。この場合、多条のプリズム１５の配列中、入光面１２ａ側に深さが空間的に変化するプリズム１５を配置し、入光面１２ａと対向する側端面１２ｄ側に一定の深さを有するプリズム１５を配置するものであってもよい。
さらに、面状照明装置１０では、導光板１２の裏面１２ｃ側に多条のプリズム１５が形成されるものとしたが、本発明に係る面状照明装置において、多条のプリズム１５は、出射面１２ｂ側に形成されるものであってもよい。この場合の多条のプリズム１５の構成は、主として図１（ｂ）を参照して詳述した上記の説明において、出射面１２ｂと裏面１２ｃとを読み替えることによって容易に理解されるものであるため、重複する説明は省略する。
次に、図２及び図３を参照して、面状照明装置１０が備える輝度分布制御レンズ１６及びフレネルレンズ１８の構成について詳述する。
面状照明装置１０において、フレネルレンズ１８は、導光板１２の厚み方向（ｚ方向）に延在する複数の単位プリズムを、入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）に配列することにより、所謂フレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズとして構成されている。
具体的には、フレネルレンズ１８において、その光軸ｑから所定の範囲内（図２に示す領域Ａ。以下、光軸近傍領域ともいう）は、個々の単位プリズムの屈折面の集合により一枚の円筒型レンズの曲面を実現するリニアフレネルレンズとして構成され、そのような円筒型レンズと同様の集光作用を有するものである。一方、フレネルレンズ１８において、光軸近傍領域Ａの外側の周辺領域（図２に示す領域Ｂ）は、単位プリズムが有する反射面により単位プリズム内に入射した光を内部全反射（Total Internal Reflection：ＴＩＲ)することによって、入射光の光路を変換し、集光作用を発揮するＴＩＲレンズとして構成される。
そして、点状光源１４は、フレネルレンズ１８の焦点位置に配置される。尚、点状光源１４は、実際には有限の大きさを持つものであるため、具体的な応用場面における点状光源１４の位置は、使用する点状光源１４（例えば、白色発光ダイオード）の幾何学的及び光学的な特性に応じて、点状光源１４からの出射光の配光分布が、フレネルレンズ１８の焦点位置に置かれた理想的な点光源からの配光分布にできるだけ近い状態となるように、適宜決定されるものである。
例えば、点状光源１４は、その光軸と、フレネルレンズ１８の光軸ｑとが一致し、点状光源１４の配光に関する所定の基準面との距離ｄが、フレネルレンズ１４の焦点距離に一致するように配置される。図２には、そのような配置の一例として、点状光源１４の光軸がその幾何学的中心軸と一致し、また、上記配光に関する基準面が出射面１４ａである場合の例が示されている。
また、フレネルレンズ１８と点状光源１４との間に位置する輝度分布制御レンズ１６は、半円筒状のシリンドリカルレンズの平面部２５に、厚み方向（円筒の中心軸方向）に貫通する一つの凹部２２を設けてなり、本実施形態において、この凹部２２は、厚み方向に直交する断面形状が半楕円形となるように形成されている。そして、輝度分布制御レンズ１６は、円筒面２３を導光板１２側に（したがって、平面部２５を点状光源１４側に）向け、かつ、その厚み方向が導光板１２の厚み方向（ｚ方向）と一致するとともに、凹部２２の中心軸（図２の例では、楕円の長軸）と点状光源１４の光軸（したがって、フレネルレンズ１８の光軸ｑ）とが一致するように配置される。
尚、面状照明装置１０において、フレネルレンズ１８の光軸近傍領域Ａ及び周辺領域Ｂの範囲、及び、輝度制御分布レンズ１６の形状並びにその凹部２２の形状は、後述する作用効果を奏する限り、使用する点状光源１４の幾何学的・光学的特性等に応じて、適切に決定されるものである。
また、図１には、導光板１２の入光面１２ａの各点状光源１４に対向する箇所に、それぞれのフレネルレンズ１８が局在して形成される態様が示されているが、それぞれのフレネルレンズ１８は連続するように設けられるものであってもよく、さらに、そのような連続するフレネルレンズ１８は、導光板１２の入光面１２ａの全面に形成されるものであってもよい。
以上のような配置構成により、面状照明装置１０において、点状光源１４から出射された光は、図２に典型的な光路をＰ１、Ｐ２として示すように、輝度分布制御レンズ１６に入射して、輝度分布制御レンズ１６の厚み方向（したがって、導光板の厚み方向（ｚ方向））に直交する平面内における広がり角を増大させて伝播し、次いで、フレネルレンズ１８に入射して、導光板１２の厚み方向に直交する平面（ｘｙ平面）内における平行光Ｐ１’、Ｐ２’として、導光板１２内を進行する。
その際、本実施形態におけるフレネルレンズ１８は、上述したようなフレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズとして構成されているため、光軸近傍領域Ａに到達した光Ｐ１は、主として、図３（ａ）に示すように屈折面１８ａによる屈折作用によりその光路が変換され、周辺領域Ｂに到達した光Ｐ２は、主として、図３（ｂ）に示すように反射面１８ｂによる内部全反射によってその光路が変換される。
そして、入光面１２ａを通じて導光板１２の内部へと入射した光は、出射面１２ｂと裏面１２ｃとの間で全反射を繰返しつつ導光板１２内を側端面１２ｄ側に向かって（ｙ方向に）伝播するとともに、その過程で、伝播光の一部が、裏面１２ｃに形成された多条のプリズム１５の傾斜面１５ａ、１５ｂに入射して、その反射により光路変換され、臨界角よりも小さい入射角で出射面１２ｂに入射することにより、照明光として出射面１２ｂから出射することになる。面状照明装置１０は、これによって、照明光を出射面１２ａから均一に出射させることにより、液晶パネル等の被照明体を照らすものである。
次に、以上のように構成された面状照明装置１０の作用・効果を説明する。
まず、面状照明装置１０では、フレネルレンズ１８の作用によって、導光板１２の出射面１２ｂから出射する出射光（被照明体を照らす照明光）について、入光面１２ａの長手方向に平行な方向の（すなわち、ｘｚ平面内における）配光分布を狭くすることが可能となる。例えば、導光板１２の出射面１２ｂ側に通常のプリズムシートを配置した、フレネルレンズ１８を有しない面状照明装置において、ｘｚ平面内における配光分布の半値幅が４０°程度である場合、同様の面状照明装置にフレネルレンズ１８を設けることにより、その半値幅を２０°程度にまで狭めることができる。
そして、面状照明装置１０における輝度分布制御レンズ１６の作用効果を、図４及び図５を参照して説明すれば、次の通りである。ここで、図４は、ｘｚ平面内における出射光の指向性を示すグラフであり、横軸は、出射光強度のピーク値をとる方向からの角度、縦軸は、出射光のピーク値に対する相対強度である。また、図５は、導光板１２の出射面１２ｂの入光面１２ａ近傍における出射光の輝度均一性を示すグラフであり、横軸は、３灯配置された点状光源１４のうち、中心に置かれた点状光源からの入光面１２ａの長手方向（すなわち、点状光源１４の配列のピッチ方向）に沿った距離、縦軸は、出射光のピーク値に対する相対強度である。
また、図４及び図５のいずれについても、フレネルレンズ１８を有する面状照明装置において、輝度分布制御レンズ１６がある場合とない場合の、それぞれのグラフが示されている。
まず、図４から、輝度分布制御レンズ１６がある場合の配光分布と、ない場合の配光分布について、それぞれの広がりに大きな違いはなく、輝度分布制御レンズ１６は、フレネルレンズ１８により達成される狭指向性に影響を及ぼさないことが分かる。一方、図５から、導光板１２の出射面１２ｂの入光面１２ａ近傍において、輝度制御分布レンズ１６がない場合には、点状光源の配置位置に対応するピーク値（図５に矢印Ｃで示す）の間に大幅に強度が低下する暗部が存在し、顕著な輝度ムラが発生するが、輝度制御分布レンズ１６がある場合には、そのような暗部が存在せず、輝度が均一化されることが分かる。
このように、本実施形態における面状照明装置１０では、狭指向性でかつ輝度均一性に優れた照明光を得ることが可能となる。その際、フレネルレンズ１８をフレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズとしたことによって、単純なフレネルレンズと比較して周辺領域Ｂの透過率を向上させることが可能となり、照明光の輝度をより効果的に均一化することが可能となる。
次に、図６を参照して、面状照明装置１０において、多条のプリズム１５に、図１（ｂ）に示すように高さが変化するプリズム１５が含まれることの作用効果を説明する。
ここで、図６（ａ）は、比較例の面状照明装置について、導光板１３の出射面１３ｂ上の輝度分布を濃淡の分布として示す図であり、（ｂ）は、本発明の第１実施形態における面状照明装置１０について、導光板１２の出射面１２ｂ上の輝度分布を濃淡の分布として示す図である。
比較例の面状照明装置の構成は、導光板１３の裏面側に形成される多条のプリズムが、全て、その延在方向にわたって一定の深さを有するものであり、その他の構成は、面状照明装置１０と同様のものである。
尚、図６（ａ）、（ｂ）において、最も淡く表された領域（以下、ハイライト領域ともいう）は最も輝度が高い領域を表し、ハイライト領域の周囲に隣接して、ハイライト領域よりも濃く表現されている領域は、ハイライト領域よりも輝度の低い領域を表す。但し、濃淡と輝度の大小は、必ずしも図内全体にわたって（例えば、濃い領域程輝度が低いといったような）一定の関係を有するものではないが、少なくとも、濃淡の異なる領域は輝度の異なる領域に対応する。
また、図６（ａ）、（ｂ）では、輝度分布制御レンズ１６の記載は省略されており、点状光源１４は、それぞれの入光面１３ａ、１２ａに沿った配置位置を模式的に示すものである。
図４及び図５を参照して上述したように、フレネルレンズ１８を備えた面状照明装置において、さらに輝度分布制御レンズ１６を有することによって、フレネルレンズ１８により達成される狭指向性に影響を及ぼすことなく、少なくとも導光板１２の出射面１２ｂの入光面１２ａ近傍における輝度の均一性を大幅に向上させることが可能となる。
しかしながら、本発明者の調査・研究により、出射面の全体にわたる輝度に着目した場合、比較例の面状照明装置では、図６（ａ）に示すように、導光板１３の各点状光源１４の前方部分の輝度が高く、側方部分の輝度が暗いといった輝度むらが発生する場合があることが分かった。
さらに、本発明者は、輝度分布制御レンズ１６及びフレネルレンズ１８を介して導光板１２に入光した光の配光分布に関する詳細な解析により、入光面１２ａの、点状光源１４の前方部分（点状光源１４の光軸付近）から入光した光（以下、前方光ともいう）と、輝度分布制御レンズ１６の厚み方向に直交する平面内において、光軸から広角に光路が変換されて、入光面１２ａの、点状光源１４の側方部分から入光した光（例えば、図２に示すＰ２’。以下、側方光ともいう）とで、導光板１２の厚み方向の配光分布に、図７に示すような相違が存在し、この相違が、図６（ａ）に示す輝度むらの発生の、少なくとも１つの要因であることを解明した。
ここで、図７は、前方光Ｌ１と、側方光Ｌ２について、その導光板１２の厚み方向の配光分布を示すグラフである。
図７から分かるように、側方光Ｌ２の導光板１２の厚み方向の配光分布は、前方光Ｌ１の導光板１２の厚み方向の配光分布よりも狭くなっている。したがって、比較例の導光板１３では、導光板内を進行する光のうち、導光板１３の裏面側に形成される多条のプリズムに入射する光量が、前方光よりも側方光の方が低くなり、これによって、図６（ａ）に示すような輝度むらが発生すると考えられる。
しかるに、本実施形態における面状照明装置１０では、多条のプリズム１５に、導光板１２の厚みに対するプリズム１５の深さの比が、点状光源１４の前方部分Ｆよりも点状光源１４の側方部分Ｓの方が大きくなるように形成されているプリズム１５が含まれていることにより、プリズム１５で反射されて出射面１２ｂから出射される光において、前方光の光量に対する側方向の光量の割合が増大し、ひいては、図６（ｂ）に示すように、出射面１２ｂの全体にわたって、出射光の均一性を向上させることが可能となる。
また、この際、プリズム１５の深さの空間的な変化を正弦曲線状とすることによって、点状光源１４の前方部分Ｆと側方部分Ｓとの境界でプリズム１５の深さに不連続的なまたは過剰に大きな変化が生じることがないため、このような変化を要因とする輝度むらを発生させることなく、出射光の均一性をさらに向上させることが可能となる。
尚、図１に示す例では、プリズム１５を基準面Ｇから突出する稜線１７を有するものとしたが、面状照明装置１０において、多条のプリズム１５の少なくとも一部は、延在方向に直交する断面が三角形状の溝として、基準面Ｇに対して凹状に設けられるものであってもよい。この場合、図８に示すように、凹状に設けられたプリズムの少なくとも一部のプリズム１５’の基準面Ｇからの深さが、点状光源１４の前方部分Ｆよりも点状光源１４の側方部分Ｓの方が深くなるように、入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）にわたって空間的に変化するものであってもよい。
但し、基準面Ｇに対して凹状に設けられたプリズム１５’についても、基準面Ｇと稜線１７’との間の距離をプリズム１５’の深さといい、図８に記載された寸法Ｄ１及びＤ２は、図１（ｂ）と同様に、空間的に変化するプリズム１５’の深さを、それぞれ最大値及び最小値をとる箇所について示したものである。
これによって、図８に示すプリズム１５’は、導光板１２の厚みに対するプリズム１５’の深さの比が、点状光源１４の前方部分Ｆよりも側方部分Sの方が大きくなるように構成されており、このようなプリズム１５’を含む多条のプリズム１５は、図１（ｂ）に示すプリズム１５を含む多条のプリズム１５と同様の作用効果を奏するものである。
尚、図８に示す例では、導光板１２の厚みに対するプリズム１５の深さの比は、図１（ｂ）に示すプリズム１５と同様に、点状光源１４の側方中心ＣSで最大値（Ｄ１／Ｔ１）をとり、前方中心ＣＦで最小値（Ｄ２／Ｔ１）をとるものである。但し、このような凹状のプリズム１５’の稜線１７’を正弦曲線状に構成した場合、この正弦曲線の位相は、図１（ｂ）に示す稜線１７とは異なり、前方中心ＣＦに極小値を有し、側方中心ＣＳに極大値を有するものとなる。
次に、図９を参照して、本発明の第２実施形態における面状照明装置３０について説明する。但し、面状照明装置３０について、図１に示す面状照明装置１０と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する部分の説明は適宜省略して、主として面状照明装置１０との相違点について説明する。
本実施形態における面状照明装置３０では、導光板３２の裏面３２ｃに形成される多条プリズム３５は、全て、その延在方向（ｘ方向）に沿って一定の深さＤ３（図９（ｂ）参照）を有しているとともに、導光板３２は、出射面３２ｂの凹凸構造により、その厚みが入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）にわたって空間的に変化するように形成されている。
詳しくは、導光板３２の厚みは、図９（ｂ）に示すように、導光板３２の、入光面３２ａに平行であって、かつ、多条のプリズム３５のうちの１つの稜線３７を含む断面において、プリズム３５の稜線３７に沿って、点状光源１４の前方部分Ｆよりも点状光源１４の側方部分Ｓの方が薄くなるように変化するものである（図９（ｂ）には、図示された断面における導光板３２の厚みが、その最大値Ｔ２及び最小値Ｔ３をとる箇所について示されている）。
面状照明装置３０において、導光板３２は、このような厚みの空間的な変化によって、図９（ｂ）に示すプリズム３５の、導光板３２の厚みに対するプリズム３５の深さの比が、点状光源１４の前方部分Ｆよりも側方部分Sの方が大きくなるように構成されている。図９（ｂ）に示す例では、導光板３２の厚みに対するプリズム３５の深さの比は、点状光源１４の側方中心ＣSで最大値（Ｄ３／Ｔ３）をとり、前方中心ＣＦで最小値（Ｄ３／Ｔ２）をとる。
また、面状照明装置３０においても、導光板３２の出射面３２ｂの形状は、各点状光源１４の前方部分Ｆにおける切断線３８の形状が、前方中心ＣＦに極大値を有する曲線をなし、各点状光源１４の側方部分Ｓにおける切断線３８の形状が、側方中心ＣＳに、極小値を有する曲線をなすとともに、前方部分Ｆにおける曲線と、側方部分Ｓにおける曲線とが、前方部分Ｆと側方部分Ｓとの間の遷移部分Ｒにおいて、滑らかに連結されていることが好ましい。
同様に、面状照明装置３０においても、さらに好ましくは、導光板３２の出射面３２ｂは、切断線３８が、点状光源１４の配列ピッチｐを１周期とし、導光板１２の入光面１２ａの長手方向（ｘ方向）に沿って導光板３２の厚み方向（ｚ方向）に空間的に振動する正弦曲線状に形成されているものであり、この正弦曲線の位相は、上述したように、前方中心ＣＦに極大値を有し、側方中心ＣＳに極小値を有するように構成されるものである。これによって、基準面Ｇと出射面３２ｂとの間の距離である導光板３２の厚みも、プリズム３５の稜線３７に沿って、正弦曲線状に変化するものである。
ここで、図９（ａ）には、導光板３２の出射面３２ｂが、入光面３２ａから入光面３２ａに対向する側端面３２ｄに向かう方向（ｙ方向）に沿って出射面３２ｂの全域にわたって、上述したような空間的な変化を有する場合の例が示されているが、本実施形態における面状照明装置３０において、導光板３２の出射面３２ｂは、多条のプリズム３５に対向する部分の一部が、そのプリズム３５の稜線３７に沿って上述したように変化しているものであってもよい。
例えば、導光板３２の出射面３２ｂは、多条のプリズム３５の配列中、入光面１２ａ側に配列されたプリズム３５に対向する部分が、そのプリズム３５の稜線３７に沿って上述したように変化するように構成され、入光面１２ａと対向する側端面１２ｄ側に配列されたプリズム３５に対向する部分は、平坦面として構成されるものであってもよい。
本実施形態における面状照明装置３０は、以上のような構成により、面状照明装置１０と同様の作用効果を奏するものである。
尚、面状照明装置３０においても、多条のプリズム３５の少なくとも一部を、延在方向に直交する断面が三角形状の溝として、基準面に対して凹状に設けるものであってもよい。さらに、本発明に係る面状照明装置に、面状照明装置３０について、多条のプリズム３５を出射面３２ｂ側に形成し、裏面３２ｃを、上述したように空間的に変化するものとした構成含むことは、面状照明装置１０と同様である。
以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、本発明に係る面状照明装置は、上述した実施形態に限定されるものではない。
例えば、本発明に係る面状照明装置は、上述した第１実施形態における面状照明装置１０における多条のプリズム１５の特徴と、第２実施形態における面状照明装置３０における導光板３２の出射面３２ｂの特徴の両方を備えるものであってもよい。
また、上述した実施形態において、フレネルレンズ１８は、導光板１２、３２の入光面１２ａ、３２ａに導光板１２、３２と一体に形成されるものとしたが、フレネルレンズ１８は、導光板１２、３２と別体に形成されて、輝度分布制御レンズ１６と導光板１２、３２の入光面１２ａ、３２ａとの間に配置されるものであってもよい。
また、図１０に示す面状照明装置４０のように、輝度分布制御レンズ４２は、各ＬＥＤ１４毎に設けられた凹部４４を有する一体の角柱として形成されるものであってもよい。この場合、輝度分布制御レンズ１６をＬＥＤレンズ毎に設ける場合と比較して、輝度分布制御レンズ１６間の隙間に入射して損失光となる光がないため、光の利用効率を向上させることができる。
１２，３２：導光板、１２ａ，３２ａ：入光面、１２ｂ，３２ｂ：出射面、１２ｃ，３２ｃ：裏面、１４：点状光源、１５,１５’，３５：プリズム、１６，４２:輝度分布制御レンズ、１７,１７’，３５：稜線、１８：フレネルレンズ（フレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズ）、２２：凹部

Claims (9)

  1. 点状光源と、該点状光源が配置される入光面、及び光を出射させる出射面を有する導光板と、前記点状光源から出射された光の広がり角を制御する輝度分布制御レンズと、該輝度分布制御レンズにより広げられた光を、前記導光板の厚み方向と直交する面内における平行光として導光板内を進行させるためのフレネルレンズと、を備え、前記導光板の出射面または該出射面の反対側の面に、前記入光面の長手方向と略平行に延びる多条のプリズムが形成されており、前記導光板は、前記多条のプリズムの少なくとも一部のプリズムの、前記導光板の厚みに対するプリズムの深さの比が、前記点状光源の前方部分よりも前記点状光源の側方部分の方が大きくなるように形成されていることを特徴とする面状照明装置。
  2. 前記多条のプリズムの少なくとも一部のプリズムの深さは、前記点状光源の前方部分よりも前記点状光源の側方部分の方が深くなるように変化していることを特徴とする請求項１に記載の面状照明装置。
  3. 前記プリズムの深さの変化は、正弦曲線状であることを特徴とする請求項２に記載の面状照明装置。
  4. 前記導光板は、該導光板の厚みが、前記点状光源の前方部分よりも前記点状光源の側方部分の方が薄くなるように、前記プリズムの稜線に沿って変化していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の面状照明装置。
  5. 前記導光板の、前記プリズムの稜線に沿った厚みの変化は、正弦曲線状であることを特徴とする請求項４に記載の面状照明装置。
  6. 前記輝度分布制御レンズには、前記点状光源が対向する箇所に厚み方向に貫通する一つの凹部が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の面状照明装置。
  7. 前記凹部の前記厚み方向に直交する断面形状は半楕円であり、前記凹部の中心軸と前記点状光源の光軸とが一致することを特徴とする請求項６に記載の面状照明装置。
  8. 前記フレネルレンズは、前記導光板の前記入光面に形成されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の面状照明装置。
  9. 前記フレネルレンズは、フレネル−ＴＩＲ複合フレネルレンズであることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の面状照明装置。
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